TOPSwitchFX系列单片开关电源的原理与应用.docVIP

TOPSwitchFX系列单片开关电源的原理与应用河北科技大学沙占友 李春明 远松灵（石家庄050054） 唐山理工大学蔡仲林（唐山063009） ?　　TOPSwitch系列是美国PowerIntegrations公司继TOPSwitch、TOPSwitch之后，在2000年初推出的第三代单片开关电源产品。它不仅设计先进，功能完善，而且外围电路简单，使用非常灵活，“FX”即有灵活（flexible）之意。TOPSwitch配外围电路后，能实现多种控制功能，其中包括配微控制器（MCU）或通过局域网（LAN）遥控开关电源通／断的功能。是目前设计75W以下高效率、多功能、单路或多路输出反激式开关电源的最佳选择。此外，该系列产品还可构成PC机的待机电源（StandbySupply）、机顶盒电源（Set）、电源适配器、由微控制器控制的开关电源。 1性能特点及管脚功能 1.1性能特点 (1)该系列产品除具备TOPSwitch系列的全部优点之外，还增加了软起动、外部设定极限电流、过压关断、欠压保护、过热滞后关断、遥控、同步等功能； (2）只需改变开关频率选择端和多功能端的外部接线，即可实现14种控制功能：全频工作方式，半频工作方式，同时实现过压和欠压保护，仅过压保护，仅欠压保护，从外部设定极限电流，控制开关电源通／断等； (3)增加了外部可编程设定极限电流ILIMIT及频率抖动功能，不仅使用方便，还能有效抑制高次谐波干扰； (4)当开关电源的负载减轻时，它采取跳过周期的方式来降低占空比，使输出电压保持稳定。即使空载时也不用接假负载。 1.2管脚功能 TOPSwitch系列包括TOP232P/G/Y、TOP233P/G/Y、TOP234P/G/Y共9种型号，尾缀P、G、Y分别表示DIP、SMD、TO封装。其最大输出功率为75W。其中，TO封装有5个引出端，它们分别是控制端C，多功能端M，源极S，开关频率选择端F，漏极D。DIP和SMD封装没有F端，等效于四端器件。多功能端主要有6种功能： （1）线路过压（OV）保护； （2）线路欠压（UV）保护； （3）利用线路电压前馈来降低空比Dmax； （4）从外部设定芯片的极限电流I′LIMIT； （5）遥控（亦称远程通/断）； （6）外同步。 将开关频率选择端接源极时，开关频率f=130kHz；接控制端时，开关频率变成f／2=65kHz。若将M、F端均接S极，TOPSwitch即工作在三端模式下，与TOPSwitch相似。 2TOPSwitch的工作原理 TOPSwitch的内部框图如图1所示。主要由15部分组成： （1）控制电压源（由控制电压UC向并联调整器和门驱动级提供偏压，而控制端电流IC则能调节占空比）； （2）带隙基准电压源（给内部提供各种基准电压）； （3）频率抖动振荡器（产生锯齿波SAW，时钟信号CLK和最大占空比信号Dmax）； （4）并联调整器/误差放大器； （5）脉宽调制器（含PWM比较器和触发器，通过改变控制端电流IC的大小，连续调节脉冲占空比）； （6）过流保护电路； （7）门驱动级和输出级（内含耐压为700V的功 率开关管MOSFET）； （8）具有滞后特性的过热保护电路（当芯片结温 Tj135℃时关断输出级；当Tj70℃时芯片才恢复正常工作）； （9）关断/自动重起动电路（当调节失控时，立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已排除，就自动重新起动电源恢复正常工作）； （10）高压电流源（提供偏流用）； （11）软起动电路； （12）欠压比较器； （13）电流极限比较器； （14）线路比较器； （15）多功能端的内部电路。 TOPSwitch的工作原理是利用反馈电流IC来调节占空比D，达到稳压目的。举例说明，当输出电压UO↑时，经过光耦反馈电路使得IC↑→D↓→UO↓,最终使UO不变。 2.1频率抖动振荡器及开关频率的设定 所谓频率抖动特性是指把开关频率调制在很窄频段内，以降低与基本开关频率的各次谐波相关的电磁干扰的幅度。TOPSwitch的内部振荡器增加了“频率抖动”功能。当基本开关频率f1=130kHz时,开关频率就以250次/s的速率在±4kHz的频段内抖动,实际开关频率f2=f1±△f1=（130±4）kHz=（126～134）kHz。由于f2是在窄范围内偏移的可变频率，因此能有效抑制由130kHz基频及其高次谐波所产生的干扰。谐波次数愈高，频率抖动的优点愈显著。例如，用此法可将开关频率的5次谐波噪声的平均值衰减10dB以上。选择半频工作方式时，基本开关频率为65kHz，抖动范围是±2kHz，实际开关频率f2=(63～67)kHz。 2.2脉宽调制器与最大占空比 当控制端电流IC在规定